膨脹篩管防砂技術在油田生產中的應用

膨脹篩管防砂技術在油田生產中的應用

1997年初，預防膨脹砂巖飛片（簡稱擴張波管）首次在曼塔赫富特的五井中應用，兩年半后無砂現(xiàn)象。之后,該技術迅速普及到世界各地,包括北海、東南亞及中國海上油田等。膨脹篩管曾在多種油氣井內使用,包括水平井(水平井段最長1219m)、大位移井、多底井、分支井和常規(guī)生產井。1999年,中國海洋石油總公司與美國菲利普斯公司在渤海海域合作發(fā)現(xiàn)了蓬萊19-3大油田,油藏主要分布在明化鎮(zhèn)組底部和館陶組地層,垂深1500m左右。根據油藏邊水錐進的特點,首次在渤海灣優(yōu)化使用膨脹篩管防砂工藝(即在套管內射孔段或裸眼的目的層段下入膨脹篩管,然后用膨脹工具將膨脹篩管膨脹,使其緊貼于井壁或套管內壁用來防砂),并獲得成功,為進一步推廣應用奠定了基礎。1膨脹篩法的原理和優(yōu)勢1.1引鞋+膨脹底部接頭+盲管+管串掛組成不論裸眼或套管內完井,膨脹篩管管串的基本組成為:引鞋+膨脹底部接頭+膨脹篩管+膨脹頂部接頭+(盲管)+管串掛,裸眼完井中盲管作為重疊段,套管內完井則不需要。1.2膨脹篩管的排列膨脹篩管由割縫鋼管、防砂篩布和預割縫鋼板三部分組成,材質均為316L。割縫鋼管為內層基管;防砂篩布為膨脹篩管的主要防砂部分,有四種可選擇的規(guī)格:270μm,230μm,175μm和150μm,根據油藏地層砂的粒度大小選擇合適的防砂篩布,選擇原則是地層砂粒度D50值的5~6倍,共四片篩布,按相同順序重疊排列,篩布一側焊接在基管上,另一側為自由端,在膨脹作業(yè)中,防砂篩布的重疊面積減小,膨脹后防砂篩布的網格結構不發(fā)生任何變化,因此能保證篩布的防砂效果;預割縫鋼板為外層保護管,在膨脹管串過程中,保護防砂篩布不破損。絲扣連接方式并配有4個防旋轉的螺栓銷釘,接頭和本體具有同樣的可膨脹性。在膨脹篩管的膨脹過程中,基管和外層預割縫鋼板會發(fā)生塑性變形,膨脹到要求的尺寸,重疊的防砂篩網自由向外伸展。膨脹之后,有效過流面積比膨脹之前增加30%~60%。膨脹篩管原始尺寸?φ73.025~?φ139.700mm,膨脹范圍?φ98.425~?φ231.775mm,最大膨脹率約為篩管原始尺寸的1.8倍。例如:?φ139.700mm膨脹篩管,膨脹范圍?φ212.725~?φ231.775mm,最大膨脹率為1.66倍,其壁厚24.892mm。膨脹篩管的顯著特點是整個篩管總成膨脹后尺寸相同,包括接頭處,流體能夠均勻通過篩管。而且管串的剛性低,柔韌性強,例如:?φ101.6mm的膨脹篩管能夠順利通過狗腿度42°/30m的井段。1.3用于膨脹設備的結構和原理1.3.1膨脹工具的設計錐形膨脹工具(FixedConeExpansionTool)由上下心軸和膨脹環(huán)組成,膨脹環(huán)通過上下心軸絲扣連接固定,組合在膨脹管柱的最下端,膨脹管柱根據井的特點設計。膨脹的主要部位是錐形膨脹環(huán),膨脹環(huán)可以根據井況或套管內徑的不同,選擇不同的直徑尺寸,例如:?φ139.7mm膨脹篩管,錐形膨脹工具的膨脹環(huán)選擇范圍:?φ174.625~?φ190.500mm,共5種,直徑增量為3.175mm。膨脹工具心軸上設計有循環(huán)孔,必要時可以循環(huán)沖洗膨脹環(huán)。特點:結構簡單;膨脹環(huán)的尺寸可以更換;有循環(huán)孔,可以循環(huán);最下端為錐形引鞋;膨脹環(huán)的材質為碳化鎢硬質合金,增強耐磨性。一次膨脹后,膨脹篩管與套管之間有一定的間隙,該間隙的大小因井況不同而不同。通過液壓膨脹工具二次膨脹就可徹底將篩管膨脹在套管內壁上。1.3.2膨脹篩管的膨脹設備液壓膨脹工具(AxialCompliantExpansionTool)主要由本體、膨脹滾珠總成和可調節(jié)噴嘴組成。膨脹原理是在地面通過鉆井泵施加一定的壓力,膨脹滾珠在液壓的作用下向外運動,產生一側向力完成膨脹篩管的膨脹。工具內裝有尺寸匹配的噴嘴,大部分的壓力將產生在噴嘴處,保證滾輪能產生足夠的側向力來膨脹篩管。例如:?φ139.7mm液壓膨脹工具的噴嘴直徑為8.73mm,工作壓力11MPa,滾珠產生的側向力為29000N。根據套管和膨脹篩管的摩擦系數(shù)、井筒內的液體性質以及膨脹篩管的要求,通過計算機模擬計算出膨脹篩管從頂部接頭至底部接頭的最大承壓能力,并根據鉆壓及篩管尺寸選擇鉆鋌的尺寸及數(shù)量。1.4擴張篩管的優(yōu)點1.4.1井下管柱區(qū)域1)膨脹后緊貼井壁(或套管),可防止地層砂的運移,從而避免了由于地層砂重新分布而形成近井眼低滲透帶;膨脹篩管還對地層起支撐的作用,防止井壁坍塌。2)防砂效果可靠,現(xiàn)場施工簡單,不需要大型地面設備,有利于在水平井、大位移井、多底井和水平分支井中推廣應用。3)防砂之后的井下管柱內徑大,過流面積大,減小了近井眼的壓降損耗,管柱內徑大還有利于后續(xù)的修井作業(yè)。4)節(jié)省一層油層套管,減小完井作業(yè)對地層的傷害。5)縮短完井周期,節(jié)約完井成本。6)能和管外封隔器配合實現(xiàn)分層開采和地層卡水作業(yè),可用于多層系油水互層油田開發(fā)。7)能有效降低表皮系數(shù)。據統(tǒng)計,礫石充填井的表皮系數(shù)一般大于10,而膨脹篩管防砂井表皮系數(shù)一般小于5。1.4.2膨脹篩管防砂機理1)若井眼極不規(guī)則,對于井徑縮小處,膨脹篩管會壓實近井地帶,生產時不易恢復地層原始狀態(tài);對于井徑擴大處,無法實現(xiàn)篩管與井壁或套管環(huán)空的“零間隙”,影響防砂效果。2)在篩管膨脹過程中,若遇井壁坍塌等復雜情況致使膨脹中斷,很難得到圓滿處理。3)膨脹篩管不適用于所有出砂地層,應針對不同地層的出砂機理,選用最合理的防砂方法。4)膨脹篩管的接頭和本體的抗拉和抗扭強度低,且不能循環(huán)鉆井液,遇阻和遇卡的處理手段受限制。2射孔作業(yè)井段渤海蓬萊19-3油田目前在10口井中應用了膨脹篩管。若為套管井,應先進行刮管作業(yè),保證套管內壁光滑,在設計井段進行射孔作業(yè),根據射孔段的長度和深度,調整好可膨脹篩管的組合,要求膨脹篩管上下覆蓋射孔段3~5m;若為裸眼井,應先通井,以保證井眼規(guī)則,然后下膨脹篩管。筆者以A18井裸眼完井為例,對膨脹篩管的現(xiàn)場應用情況進行介紹。該井最大井斜角為57.38°,井深1935m。2.1封管串掛下鉆至設計深,進行伽馬測井校深,以確定管串掛的坐封位置。然后投球,憋壓坐封管串掛。下鉆過程中禁止旋轉管串,且遇阻不能超過100kN,以防止剪斷螺栓和損壞膨脹篩管柱;如需要循環(huán),壓力不能超過3.5MPa,以防止管串掛提前坐掛;下放速度控制在10m/min以內。管串掛的坐封位置應避開套管接箍。2.2膨脹篩管計數(shù)膨脹篩管分兩步進行,先使用錐形膨脹工具膨脹篩管,再使用液壓膨脹工具。現(xiàn)場作業(yè)時選擇套管摩擦系數(shù)0.3,膨脹篩管摩擦系數(shù)0.4,模擬計算出最大的膨脹鉆壓。優(yōu)化鉆具組合:?φ168.275mm錐形膨脹工具+?φ165.1mm扶正器+?φ120.65mm鉆鋌×1根+?φ165.1mm扶正器+?φ120.65mm鉆鋌×30根+?φ139.7mm鉆桿。2.2.1篩管膨脹作業(yè)組合錐形膨脹工具,下鉆至膨脹篩管管串掛以上60m左右,減慢下放速度,開泵探膨脹篩管頂部接頭在井深1620.5m處。加鉆壓約100~200kN,開始進行篩管膨脹作業(yè),控制膨脹速度小于3~5m/min,防止速度太快,造成篩管未完全膨脹或者撕裂篩管。起鉆時控制膨脹工具通過篩管接頭和封隔器部位時的速度不宜太快。2.2.2膨脹鉆壓機構組合液壓膨脹工具,下鉆至頂部接頭處,探頂部接頭位置在井深1620.5m處。開泵,開始膨脹篩管,最大的膨脹鉆壓為200kN,在正常膨脹鉆壓50~100kN范圍內控制膨脹速度3~5m/min。膨脹至底部接頭位置,停泵起鉆。A18井的井身結構如圖1所示。3風險分析及現(xiàn)場應用3.1膨脹工具的修正1)下篩管過程中如發(fā)生溢流,應接變扣接頭,下鉆桿,保證篩管管串在防噴器以下,進行井控作業(yè)。2)封隔器已坐封,但不能膨脹。首先確定膨脹工具的位置是否正確,然后施加最大允許鉆壓300kN。否則開泵循環(huán)沖洗碎屑,重新膨脹。3)膨脹力過高的問題。正常膨脹力為200kN左右,如需更高膨脹力,最高不能超過350kN。如循環(huán),最大排量400L/min,時間控制在1~2min。4)坐封封隔器前,有問題需起鉆。要小心處理,坐好卡瓦和安全卡瓦,卸下4個緊固螺栓,卸扣檢查絲扣,使用提升短節(jié)安全吊走。3.2現(xiàn)場應用效果逢萊19-3油田已投入生產井的情況表明:單井日產液量平均為2